既有鋼筋混凝土裝配式空心板梁實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

劉 苗

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

跨度為13.0 m裝配式普通鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板梁橋，橋梁全寬12 m，車行道凈寬11 m，兩側(cè)安全帶各寬0.50 m。

橫截面由七片寬124 cm（中板）和兩片寬166 cm（邊板）的單孔預(yù)制空心板通過(guò)約20 cm的縱向混凝土鉸縫粘接而成，預(yù)制空心板高60 cm。橋面設(shè)2%雙面排水坡。

橋面鋪裝層為10 cm厚防水混凝土和5 cm厚瀝青混凝土。

1.2 主要材料

預(yù)制梁：40號(hào)混凝土；

受力鋼筋：Ⅱ級(jí)螺紋鋼筋；

構(gòu)造鋼筋：Ⅰ級(jí)光面鋼筋。

1.3 存在的工程問(wèn)題

在工程建設(shè)單位組織的質(zhì)量大檢查中，發(fā)現(xiàn)該小橋工點(diǎn)存在如下問(wèn)題：盡管混凝土試塊強(qiáng)度滿足要求，但預(yù)制鋼筋混凝土梁的混凝土回彈值偏低，且由此推算的梁體混凝土強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)要求，因此，對(duì)預(yù)制鋼筋混凝土梁的整體混凝土強(qiáng)度存在懷疑。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為確保工程施工質(zhì)量、同時(shí)也減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失，受施工單位委托，在成品預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁中隨機(jī)抽取一片板梁進(jìn)行靜荷載試驗(yàn)，檢測(cè)與分析受檢預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁的受力、變形、裂紋開(kāi)展與分布特性。

通過(guò)靜荷載試驗(yàn)，達(dá)到如下的工程檢測(cè)目的：

（1）檢測(cè)鑒定預(yù)制板梁的實(shí)際承載能力和正常使用性能；

（2）評(píng)價(jià)預(yù)制混凝土板梁的總體施工質(zhì)量；

（3）推測(cè)該批預(yù)制板梁的承載能力及正常使用性能。

3 試驗(yàn)檢測(cè)方案

3.1 試驗(yàn)梁的選擇

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制鋼筋混凝土成品板梁的外觀檢測(cè)，挑選外觀質(zhì)量最差的一片板梁進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)、分析與評(píng)估。

3.2 試驗(yàn)理論依據(jù)

梁式橋?yàn)槭軓澖Y(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)自重與設(shè)計(jì)荷載作用下，橋跨結(jié)構(gòu)主要承受彎矩，同時(shí)因橫力彎曲而承受剪力。簡(jiǎn)支梁的最大彎矩出現(xiàn)在各跨跨中區(qū)域（正彎矩），簡(jiǎn)支梁的最不利受剪區(qū)域約在各支點(diǎn)處1/4范圍內(nèi)。

預(yù)制板梁組成的橋跨結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，因而其在成橋狀態(tài)下的受力模型是簡(jiǎn)支梁模型。由于成橋狀態(tài)下預(yù)制板梁僅為橋跨結(jié)構(gòu)的一個(gè)受力單元，各受力單元間通過(guò)鉸縫聯(lián)結(jié)而協(xié)同受力，因而在成橋狀態(tài)下預(yù)制板梁?jiǎn)卧氖芰εc單片簡(jiǎn)支板梁的受力方式存在明顯差異—板梁構(gòu)件與橋跨結(jié)構(gòu)的板梁?jiǎn)卧茌d邊界約束條件不同。

為了檢測(cè)評(píng)價(jià)橋梁預(yù)制構(gòu)件在使用荷載作用下的使用性能及實(shí)際承載能力，只須對(duì)其施加等效試驗(yàn)荷載（使預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)生的理論荷載效應(yīng)與其作為橋跨結(jié)構(gòu)板梁?jiǎn)卧⒃谠O(shè)計(jì)荷載作用下產(chǎn)生的理論荷載效應(yīng)相同），通過(guò)觀測(cè)板梁預(yù)制構(gòu)件在等效試驗(yàn)荷載作用下的結(jié)構(gòu)實(shí)際荷載反應(yīng)，推斷其作為橋跨結(jié)構(gòu)受力單元的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)，評(píng)價(jià)其實(shí)際承載能力。

3.3 試驗(yàn)荷載的確定

根據(jù)試驗(yàn)相似理論和結(jié)構(gòu)檢測(cè)的目的，采用載荷（結(jié)構(gòu)控制內(nèi)力）等效的原則確定試驗(yàn)荷載。通過(guò)分析計(jì)算作為橋跨結(jié)構(gòu)受力單元的板梁構(gòu)件在各種荷載因素作用下的截面內(nèi)力，按照內(nèi)力等效的原則，確定受檢試驗(yàn)梁所需施加的等效試驗(yàn)荷載量值。

3.4 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與分析方法

對(duì)受檢預(yù)制混凝土板梁進(jìn)行分級(jí)加載，觀測(cè)與記錄在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下受載板梁四分點(diǎn)與跨中截面的應(yīng)力、支點(diǎn)及跨中點(diǎn)的變形和梁體的裂紋狀態(tài)。

根據(jù)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范、橋梁設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行理論分析與評(píng)價(jià)，進(jìn)而評(píng)估結(jié)構(gòu)總體施工質(zhì)量，推測(cè)混凝土梁的實(shí)際承載能力和使用耐久性。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)梁體應(yīng)力、撓度及開(kāi)裂狀態(tài)分析，判斷鋼筋混凝土梁的荷載表現(xiàn)。

監(jiān)測(cè)梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)變和位移的測(cè)點(diǎn)布置位置見(jiàn)圖1。

圖1 梁體各截面位移、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)圖

3.5 試驗(yàn)荷載的確定

（1）成橋狀態(tài)下預(yù)制板梁跨中最大荷載彎矩值

根據(jù)試驗(yàn)相似理論和結(jié)構(gòu)檢測(cè)的目的，采用載荷（結(jié)構(gòu)控制內(nèi)力）等效的原則確定試驗(yàn)荷載。通過(guò)分析計(jì)算作為橋跨結(jié)構(gòu)受力單元的板梁構(gòu)件在各種荷載因素作用下的截面內(nèi)力，按照內(nèi)力等效的原則，確定受檢試驗(yàn)梁所需施加的等效試驗(yàn)荷載量值。

一般，橋跨結(jié)構(gòu)承受的荷載分為：一期恒載（橋梁自重）、二期恒載（水泥調(diào)平層、橋面鋪裝、欄桿等）、活載（汽車、平板掛車）、其它荷載（支座沉降、溫度、混凝土徐變）。

因橋跨結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支受力結(jié)構(gòu)，所以，在成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)承受的荷載為：一期恒載（橋梁自重）、二期恒載（水泥調(diào)平層、橋面鋪裝、欄桿等）及活載（汽車、平板掛車）三類荷載。

對(duì)受檢預(yù)制板梁采用與成橋狀態(tài)完全相同的支撐跨徑，則受測(cè)試驗(yàn)板梁所需施加的試驗(yàn)荷載應(yīng)與成橋狀態(tài)下該試驗(yàn)板梁承擔(dān)的二期恒載（水泥調(diào)平層、橋面鋪裝、欄桿等）效應(yīng)+活載（汽車、平板掛車）效應(yīng)等效。

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)理論，在成橋狀態(tài)下板梁跨中截面承受的二期恒載和活載（汽車、平板掛車）彎矩效應(yīng)計(jì)算值見(jiàn)表1。

表1 在成橋狀態(tài)下板梁跨中截面彎矩設(shè)計(jì)值（單位：kN·m）

（2）試驗(yàn)等效荷載

預(yù)制板梁的試驗(yàn)狀態(tài)為簡(jiǎn)支狀態(tài)，因采用與橋跨相同的支撐跨徑，因此，板梁自重荷載效應(yīng)已經(jīng)作用在試驗(yàn)梁體上，所以試驗(yàn)梁還需施加的荷載應(yīng)與二期恒載及車輛荷載在板梁跨中產(chǎn)生的彎矩等效。

二期恒載+車輛荷載的等效彎矩為：

試驗(yàn)梁支撐跨徑為19.3 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，采用在跨中5.5 m的范圍內(nèi)進(jìn)行堆載的方式進(jìn)行預(yù)制板梁的荷載試驗(yàn)，則試驗(yàn)荷載總值為：

式中:a—— 跨中勻布荷載的分布長(zhǎng)度，單位m；

G——試驗(yàn)荷載總量，單位kN;

MJ——與試驗(yàn)狀態(tài)相比，成橋狀態(tài)下板梁跨中彎矩增加幅值,單位kN·m;

L支——試驗(yàn)梁實(shí)際支撐跨徑，單位m；

ηq——試驗(yàn)效率系數(shù)，0.80≤ηq≤1.05。

根據(jù)上述計(jì)算公式，確定所需試驗(yàn)荷載總量G。

4 試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

4.1 梁體的支撐

在預(yù)制臺(tái)座上分別用四個(gè)橡膠板支座和兩根寬約20 cm、厚約6 cm的方木支撐試驗(yàn)梁兩端，兩支點(diǎn)的中心距離11 000 mm，見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)加載及測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.2 試驗(yàn)實(shí)施與荷載總值

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，采用堆載方式進(jìn)行加載，堆載物為50 kg的袋裝水泥，為保證在跨中550 cm的范圍內(nèi)順利堆放水泥，在梁頂橫向放置一排方木。

試驗(yàn)梁分五級(jí)加載：

第1級(jí)荷載總荷載值為G1=36.0 kN

第2級(jí)荷載總荷載值為G2=99.0 kN

第3級(jí)荷載總荷載值為G3=130.5 kN

第4級(jí)荷載總荷載值為G4=162.0 kN

第5級(jí)荷載總荷載值為G5=184.5 kN

第6級(jí)荷載總荷載值為G6=193.5 kN

按照前述公式，荷載總重量為G6=193.5 kN時(shí)，計(jì)算的荷載效率系數(shù)ηq為1.055，滿足規(guī)范要求。

每級(jí)荷載施加后靜置5～10 min，待變形穩(wěn)定后量測(cè)梁體應(yīng)變與變形，并觀測(cè)裂紋。

5 測(cè)試結(jié)果及分析

5.1 結(jié)構(gòu)撓度的實(shí)測(cè)值、計(jì)算值與分析

根據(jù)各級(jí)荷載下測(cè)點(diǎn)位移的記錄值求出了相應(yīng)的跨中撓度值，同時(shí)按照規(guī)范計(jì)算了各級(jí)荷載下跨中理論撓度值（彈性模量取3.3×104MPa計(jì)算）。

從各級(jí)荷載作用下跨中撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較不難發(fā)現(xiàn)：除第一級(jí)荷載外，實(shí)測(cè)撓度與計(jì)算理論撓度比值ηw（結(jié)構(gòu)位移校驗(yàn)系數(shù)）值多在0.6～0.8之間。

由有關(guān)文獻(xiàn)查得的無(wú)缺陷預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)位移校驗(yàn)系數(shù)一般在0.70～1.0之間，可見(jiàn)，試驗(yàn)梁的變形特性正常，梁體混凝土的整體強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

在最大試驗(yàn)荷載作用下，跨中撓度實(shí)測(cè)值fs=5.09 mm，根據(jù)規(guī)范第4.2.3條的規(guī)定，最大豎向撓度允許值為[ f]=18.3[ f]=Lp/600=11 000/600 mm，可見(jiàn) fs≤[ f]。

撓度檢測(cè)結(jié)果表明：混凝土梁整體變形性能優(yōu)良，滿足規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)撓度的要求。

5.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值、計(jì)算值與分析

根據(jù)各級(jí)荷載下測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的記錄值求出了相應(yīng)測(cè)點(diǎn)在各加載時(shí)刻的應(yīng)力值（因堆載產(chǎn)生的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值，40號(hào)混凝土彈性模量取E=3.3×104MPa），同時(shí)按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的平截面假定計(jì)算了各級(jí)荷載階段相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的理論應(yīng)力值，在計(jì)算出中性軸位置后，按照材料力學(xué)彎曲應(yīng)力理論計(jì)算測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值。

對(duì)各級(jí)荷載作用下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與理論應(yīng)力計(jì)算值的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合良好；但在某些工況下某些測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值差異較大；實(shí)測(cè)值對(duì)稱性較好。

上述現(xiàn)象說(shuō)明試驗(yàn)梁的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較好，同時(shí)表明布片的對(duì)稱性也控制較好，另外堆載對(duì)稱性良好。可以認(rèn)為測(cè)試結(jié)果在總體上是有效的，應(yīng)力的測(cè)試值與分析值基本反應(yīng)了試驗(yàn)梁的應(yīng)力狀態(tài)。

各級(jí)荷載作用下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較不難發(fā)現(xiàn)：混凝土的實(shí)測(cè)應(yīng)力遠(yuǎn)低于理論計(jì)算應(yīng)力，兩者間的差異來(lái)自于理論計(jì)算的簡(jiǎn)化假定—非彈性體的彈性體簡(jiǎn)化。混凝土的實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力的平均比值ησ（結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)）為0.77，個(gè)別ησ值超過(guò)了0.90，正常預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板梁的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)一般在0.60～0.90之間。考察測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ησ值超限的測(cè)點(diǎn)有兩類：受拉區(qū)測(cè)點(diǎn)，可能應(yīng)變片長(zhǎng)度范圍內(nèi)發(fā)生了混凝土開(kāi)裂；受壓區(qū)測(cè)點(diǎn)，可能應(yīng)變片出現(xiàn)異常，為無(wú)效測(cè)點(diǎn)。

5.3 結(jié)構(gòu)裂紋觀測(cè)與分析

在所有各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，試驗(yàn)梁均未發(fā)現(xiàn)有裂紋產(chǎn)生。

5.4 混凝土梁回彈強(qiáng)度測(cè)量與分析

本次試驗(yàn)過(guò)程中還測(cè)量了混凝土梁六個(gè)測(cè)區(qū)的回彈強(qiáng)度，六個(gè)測(cè)區(qū)中有五個(gè)測(cè)區(qū)回彈強(qiáng)度值在40 MP左右，有一個(gè)測(cè)區(qū)回彈強(qiáng)度值偏低，主要由于該測(cè)區(qū)表面粗糙、凹凸不平以及測(cè)量誤差所引起。

測(cè)試結(jié)果表明：混凝土回彈強(qiáng)度值總體上滿足強(qiáng)度要求。

6 鑒定結(jié)論

通過(guò)對(duì)預(yù)制普通鋼筋混凝土空心板梁的檢測(cè)試驗(yàn)與理論分析，得出如下檢測(cè)鑒定技術(shù)結(jié)論：

（1）試驗(yàn)梁工作性能正常；

（2）試驗(yàn)梁的受力性能、變形性能均符合設(shè)計(jì)要求；

（3）預(yù)制混凝土梁的實(shí)際承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)承載能力的要求；

（4）橋跨結(jié)構(gòu)的變形性能良好、試驗(yàn)最大荷載作用下無(wú)裂紋產(chǎn)生，預(yù)制板梁的正常使用性能符合設(shè)計(jì)要求；

（5）梁體混凝土回彈強(qiáng)度總體符合設(shè)計(jì)要求。

抽檢結(jié)果表明：該預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁質(zhì)量合格，可以在橋梁工程中正常使用，建議進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)施工。